Ny familie af atomtynde elektridmaterialer opdaget

En eksplorativ undersøgelse af opførsel af materialer med ønskelige elektriske egenskaber har resulteret i opdagelsen af ​​en strukturel fase af todimensionelle (2D) materialer. Den nye familie af materialer er elektrider, hvor elektroner optager et rum, der normalt er reserveret til atomer eller ioner i stedet for at kredse om kernen af ​​et atom eller en ion. Stalden, lavenergi, afstembare materialer kan have potentielle anvendelser inden for nanoteknologi.

Det internationale forskerhold, ledet af Hannes Raebiger, lektor ved Institut for Fysik ved Yokohama National University i Japan, offentliggjorde deres resultater den 10. juni som frontispice i Avancerede funktionelle materialer .

I første omgang, holdet satte sig for bedre at forstå de grundlæggende egenskaber ved et 2D-system kendt som Sc ₂ CO ₂ . Indeholder to atomer af metallisk skandium, et kulstofatom og to oxygenatomer, systemet tilhører en familie af kemiske forbindelser, der tilsammen kaldes MXenes. De er typisk sammensat af et kulstof- eller nitrogenlag på et atoms tykt klemt mellem metallag, oversået med oxygen- eller fluoratomer.

Forskerne var særligt interesserede i MXene Sc ₂ CO ₂ på grund af forudsigelserne, at når struktureret i en sekskantet fase, systemet ville have ønskede elektriske egenskaber.

"På trods af disse fascinerende forudsigelser af sekskantede faser af Sc ₂ CO ₂ , vi er ikke klar over dens vellykkede fremstilling endnu, " sagde Soungmin Bae, førsteforfatter og forsker ved Institut for Fysik ved Yokohama National University. "Analyser dens grundlæggende egenskaber, vi opdagede en helt ny strukturel fase."

Den nye strukturelle fase resulterer i nye elektridematerialer. Den atomart-tynde 2D-strukturfase beskrives som flisebelagte former, der danner det centrale kulstofplan. Den tidligere forudsagte form var en sekskant, med et kulstofatom ved hvert toppunkt og et i midten. De nye materialer har en rombelignende form, med elektroner i hjørnerne og en kulstoftrimer - tre kulstofatomer i træk - i midten.

"Carbon er et af de mest almindelige materialer på vores planet, og ret vigtigt for levende væsener, men det findes næsten aldrig som trimere, " sagde Raebiger. "Det nærmeste sted, hvor kulstoftrimere typisk findes, er det interstellare rum."

Den overordnede form er mindre symmetrisk end den tidligere beskrevne sekskantede struktur, men den er mere symmetrisk med hensyn til midterplanet. Denne struktur tilbyder unikke egenskaber på grund af udseendet af den nye familie af elektrider, ifølge Raebiger.

"Elektrider indeholder elektroner som en strukturel enhed og er ofte ekstremt gode elektriske ledere, " sagde Raebiger. "Den nuværende familie af elektrider er isolatorer, og mens de fleste isolatorer kan gøres ledende ved at tilføje eller fjerne elektroner, disse materialer bliver simpelthen mere isolerende."

MXenes er særligt attraktive som materiale, fordi de kan omkonfigureres med andre metalliske elementer for at tilbyde et overflødighedshorn af egenskaber, inklusive afstembar ledningsevne, forskellige former for magnetisme, og/eller fremskynde kemiske reaktioner som katalysatorer. Oven i købet, de er ultratynde ark, der kun er få atomer tykke, det er, 2D materialer. De nyopdagede elektrider har elektroner i gitterhulrum mellem atomer og ioner, som let kan udsendes til det omgivende rum, såsom elektronkilderne til store partikelacceleratorer, samt lånes til at katalysere en specifikt ønsket kemisk reaktion.

"Vi gjorde denne opdagelse, fordi vi ønskede at forstå, hvordan disse materialer fungerer bedre, " sagde Bae. "Hvis du støder på noget, du ikke forstår, grave dybere."

Medforfattere inkluderer William Espinosa-García og Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brasilien; Yoon-Gu Kang og Myung Joon Han, Institut for Fysik, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Juho Lee og Yong-Hoon Kim, Institut for Elektroteknik, Korea Advanced Institute of Science and Technology; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata og Kaoru Ohno, Institut for Fysik ved Yokohama National University; og Mohammad Khazaei og Hideo Hosono, Materialeforskningscenter for elementstrategi, Tokyo Institute of Technology. Espinosa-García er også tilknyttet Grupo de investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facultad de Ingenierías, Universidad de San Buenaventura-Medellín.